Mentre la pandemia di COVID-19 continua a diffondersi in tutto il mondo, i test rimangono una strategia chiave per tracciare e contenere il virus. Studente laureato in Bioingegneria, Maha Alafef, ha co-sviluppato un rapido, test ultrasensibile che utilizza un sensore elettrochimico cartaceo in grado di rilevare la presenza del virus in meno di cinque minuti. Il team guidato dal professor Dipanjan Pan ha riportato le sue scoperte in ACS Nano .

"Attualmente, stiamo vivendo un evento che cambia la vita una volta nel secolo, " ha affermato Alafeef. "Stiamo rispondendo a questa esigenza globale con un approccio olistico sviluppando strumenti multidisciplinari per la diagnosi precoce e la diagnosi e il trattamento per SARS-CoV-2".

Ci sono due grandi categorie di test COVID-19 sul mercato. La prima categoria utilizza la reazione a catena della polimerasi in tempo reale della trascrittasi inversa (RT-PCR) e le strategie di ibridazione dell'acido nucleico per identificare l'RNA virale. Gli attuali test diagnostici approvati dalla FDA utilizzano questa tecnica. Alcuni inconvenienti includono la quantità di tempo necessaria per completare il test, la necessità di personale specializzato e la disponibilità di attrezzature e reagenti.

La seconda categoria di test si concentra sulla rilevazione degli anticorpi. Però, potrebbe esserci un ritardo di alcuni giorni o alcune settimane dopo che una persona è stata esposta al virus per la produzione di anticorpi rilevabili.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno avuto un certo successo con la creazione di biosensori point-of-care utilizzando nanomateriali 2-D come il grafene per rilevare le malattie. I principali vantaggi dei biosensori a base di grafene sono la loro sensibilità, basso costo di produzione e rapidità di rilevamento. "La scoperta del grafene ha aperto una nuova era nello sviluppo dei sensori grazie alle sue proprietà. Il grafene presenta proprietà meccaniche ed elettrochimiche uniche che lo rendono ideale per lo sviluppo di sensori elettrochimici sensibili, " ha affermato Alafeef. Il team ha creato un biosensore elettrochimico a base di grafene con una configurazione di lettura elettrica per rilevare selettivamente la presenza di materiale genetico SARS-CoV-2.

Ci sono due componenti di questo biosensore:una piattaforma per misurare una lettura elettrica e sonde per rilevare la presenza di RNA virale. Per creare la piattaforma, i ricercatori hanno prima rivestito la carta da filtro con uno strato di nanopiastrine di grafene per creare una pellicola conduttiva. Quindi, hanno posizionato un elettrodo d'oro con un design predefinito sopra il grafene come pad di contatto per la lettura elettrica. Sia l'oro che il grafene hanno un'elevata sensibilità e conduttività che rende questa piattaforma ultrasensibile per rilevare i cambiamenti nei segnali elettrici.

Gli attuali test COVID-19 basati sull'RNA selezionano la presenza del gene N (fosfoproteina nucleocapside) sul virus SARS-CoV-2. In questa ricerca, il team ha progettato sonde oligonucleotidiche antisenso (ASO) per colpire due regioni del gene N. Il targeting di due regioni garantisce l'affidabilità del sensore nel caso in cui una regione subisca una mutazione genetica. Per di più, le nanoparticelle d'oro (AuNP) sono ricoperte da questi acidi nucleici a filamento singolo (ssDNA), che rappresenta una sonda di rilevamento ultrasensibile per l'RNA SARS-CoV-2.

I ricercatori hanno precedentemente mostrato la sensibilità delle sonde di rilevamento sviluppate nel loro precedente lavoro pubblicato su ACS Nano . L'ibridazione dell'RNA virale con queste sonde provoca un cambiamento nella risposta elettrica del sensore. I cappucci AuNP accelerano il trasferimento di elettroni e quando vengono trasmessi sulla piattaforma di rilevamento, determina un aumento del segnale in uscita e indica la presenza del virus.

Il team ha testato le prestazioni di questo sensore utilizzando campioni positivi e negativi per il COVID-19. Il sensore ha mostrato un aumento significativo del voltaggio dei campioni positivi rispetto a quelli negativi e ha confermato la presenza di materiale genetico virale in meno di cinque minuti. Per di più, il sensore è stato in grado di differenziare i carichi di RNA virale in questi campioni. La carica virale è un importante indicatore quantitativo del progresso dell'infezione e una sfida da misurare utilizzando i metodi diagnostici esistenti.

Questa piattaforma ha applicazioni di vasta portata grazie alla sua portabilità e al basso costo. Il sensore, quando integrato con microcontrollori e schermi LED o con uno smartphone tramite Bluetooth o wifi, potrebbe essere utilizzato presso il punto di cura in uno studio medico o anche a casa. Oltre il COVID-19, il team di ricerca prevede inoltre che il sistema sia adattabile per l'individuazione di molte malattie diverse.

"Il potenziale illimitato della bioingegneria ha sempre suscitato il mio massimo interesse con le sue innovative applicazioni traslazionali, " Alafeef ha detto. "Sono felice di vedere che il mio progetto di ricerca ha un impatto sulla risoluzione di un problema del mondo reale. Finalmente, Vorrei ringraziare il mio dottorato di ricerca. consigliere professore Dipanjan Pan per il suo infinito sostegno, ricercatore Dr. Parikshit Moitra, e l'assistente di ricerca Ketan Dighe per il loro aiuto e contributo al successo di questo studio".